Способы наблюдения и регистрации заряжен

Правило смещения

Лишь после того как были открыты изотопы, удалось разобраться в последовательной цепи радиоактивных превращений элементов.

Эти превращения подчиняются так называемому правилу смещения, сформулированному впервые Содди: при а-распаде ядро теряет положительный заряд 2е, и масса его убывает приблизительно на четыре единицы относительной атомной массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы. Символически это можно записать так:

Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами; заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу символа, а атомная масса — в виде индекса слева вверху символа. Например, обычный изотоп водорода обозначается символом 1 2

, дейтерий — символом . Для а-частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д.

При (3-распаде из ядра вылетает электрон. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:

Здесь обозначает электрон: индекс «О» вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с единицей относительной атомной массы. После р-распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы.

Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.

Правила смещения показывают, что при радиоактивном распаде сохраняется электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.

Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра в свою очередь обычно также радиоактивны.

Искусственное превращение атомных ядер

Впервые в истории человечества искусственное превращение ядер было осуществлено

Резерфордом в 1920 г. Это было уже не случайное открытие.

Так как ядро весьма устойчиво и ни высокие температуры, ни давления, ни электромагнитные поля не вызывают превращения элементов и не влияют на скорость радиоактивного распада, то Резерфорд предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень большая энергия. Наиболее подходящим носителем большой энергии в то время были а-частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде.

Первым ядром, подвергшимся искусственному преобразованию, было ядро азота . Бомбардируя азот а-частицами большой энергии, испускаемыми радием, Резерфорд обнаружил появление протонов — ядер атома водорода.

В первых опытах регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций, и результаты опыта не были достаточно убедительными и надежными. Но спустя несколько лет превращение азота удалось наблюдать в камере Вильсона. Примерно одна а-частица на 50 000, испущенных радиоактивным препаратом в камере, захватывается ядром азота, что приводит к испусканию протона. При этом ядро азота превращается в ядро изотопа кислорода:

На рисунке 7.12 показана одна из фотографий этого процесса. Слева видна характерная «вилка» — разветвление трека. Жирный след принадлежит ядру кислорода, а тонкий — протону. Остальные а-частицы не претерпевают столкновений с ядрами, и их треки прямолинейны.

Другими исследователями были обнаружены превращения под влиянием а-частиц ядер фтора, натрия, алюминия и др. Ядра тяжелых элементов конца периодической системы не испытывали превращений.

Очевидно, их большой электрический заряд не позволял а-частице приблизиться к ядру вплотную.

Существенно, что кинетическая энергия а-частицы не равняется сумме кинетических энергий протона и нового ядра, возникшего в результате превращения. Реакция идет с поглощением кинетической энергии. Часть кинетической энергии (примерно 1,2* эВ) переходит во внутреннюю энергию вновь образовавшегося ядра.

Но аналогичная реакция расщепления ядра алюминия приводит к выделению кинетической энергии: кинетическая энергия продуктов реакции больше кинетической энергии а-частицы, бомбардировавшей ядро алюминия, на 400 000 эВ. Это громадная энергия, но использовать ее здесь практически нельзя. Ведь большая часть а-частиц не вызывает реакции, и их кинетическая энергия теряется без пользы. Однако уже эти наблюдения показали, что запасы энергии внутри атомных ядер исключительно велики, и нужно только суметь эту энергию извлечь.

Открытие Нейрона

В 1932 г. произошло важнейшее для всей ядерной физики событие — был открыт нейтрон.

При бомбардировке бериллия а-частицами протоны не появлялись. Но обнаружилось какое-то сильно проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как свинцовая пластина в 10—20 см толщиной. Было сделано предположение, что это у-лучи большой энергии. Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии и Пьера Кюри) и ее муж Фредерик Жолио-Кюри (1900—1958) обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко увеличивается. Они справедливо предположили, что излучение бериллия выбивает из парафиновой пластины протоны, имеющиеся в большом количестве в этом водородсодержащем веществе. С помощью камеры Вильсона (схема опыта приведена на рисунке 7.13) супруги Жолио-Кюри обнаружили эти протоны и по длине пробега оценили их энергию. Если допустить, что протоны ускорялись в результате столкновения с у-квантами, то энергия этих квантов должна быть огромной — около 55 МэВ (смотреть опыт ).

В 1932 г. ученик Резерфорда — английский физик Д. Чедвик (1891 —1974) наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. По его оценке, энергия у-квантов, способных сообщать ядрам скорость, соответствующую наблюдениям, должна была составлять 90 МэВ. Наблюдения же ядер отдачи аргона привели к еще более огромной цифре— 150 МэВ. Таким образом, считая, что ядра приходят в движение в результате столкновения с частицами, лишенными массы покоя, исследователи пришли к явному противоречию: одним и тем же у-квантам приходилось приписывать различную энергию.

Стало очевидным, что предположение об излучении бериллием у-квантов, т. е. частиц, лишенных массы покоя, несостоятельно. Из бериллия под действием а-частиц вылетают какие-то достаточно тяжелые частицы, так как только при столкновениях с тяжелыми частицами протоны или ядра азота и аргона рисунок. 7.13 могли получить ту большую энергию, которая наблюдалась. Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ, то, следовательно, они были электрически нейтральными. Ведь заряженная частица сильно взаимодействует с веществом и поэтому быстро теряет свою энергию.

Новая частица была названа нейтроном. Существование ее предсказывал Резерфорд более чем за 10 лет до опытов Чедвика.

Массу нейтрона можно определить, применяя законы сохранения энергии и импульса к соударениям нейтронов с атомными ядрами. Если считать соударение центральным и абсолютно упругим, то скорость ядра отдачи равна:

где mn — масса нейтрона, vn — его скорость до соударения, а Мя — масса ядра отдачи. Скорость vя можно измерить, масса ядра известна. Остаются две неизвестные величины: масса нейтрона и его начальная скорость vn. Но взяв отношение скоростей отдачи для двух различных ядер, можно найти массу нейтрона.

Отношение скоростей ядер отдачи азота и водорода, определяется следующей формулой:

Здесь МН и MN — массы ядер водорода (протона) и азота. Экспериментальное значение отношения приблизительно 0,13. Это позволяет вычислить массу нейтрона. Она оказалась чуть больше массы протона —1838,6 электронных масс вместо 1836,1 для протона.

При попадании а-частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:

Здесь — символ нейтрона; заряд его равен нулю, а относительная масса равна приблизительно единице.

Подобная реакция наблюдается также при бомбардировке а-частицами бора — пятого элемента периодической системы.

Вопросы для самоконтроля:

1. Кто впервые сформулировал правило смещения?

2. Сформулируйте правило смещения.

3. Когда и кем в первые было осуществлено искусственное превращение ядер?

4. Что за важнейшее событие для всей ядерной физики произошло в 1932 г.?

5. Опишите опыт камера Вильсона.